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1、 基于STM32的云臺(tái)控制 學(xué) 校：XXXXXXXXXXXX 隊(duì) 伍：云臺(tái)之家 組 長(zhǎng)：XXXXXX 隊(duì) 員：XXXXXX 隊(duì) 員：XXXXXX 指導(dǎo)老師：XXXXX 目錄 摘要 3 Abstract 4 第1章 緒論 5 1.1 課題研究背景 5 1.2 國(guó)內(nèi)外云臺(tái)研究發(fā)展現(xiàn)狀 5 1.3 本文的主要工作和結(jié)構(gòu)安排 6 第2章 系統(tǒng)概述 8 2.1 STM32F103處理器 8 2.1.1 STM32 F107處理器概述 8 2.1.2 STMF103處理器系統(tǒng)結(jié)

2、構(gòu) 9 2.1.3 STM32微處理器對(duì)電機(jī)的控制 10 2.1.4 STM32F103處理器低功耗 11 2.2 電機(jī)的定義及控制原理 11 2.2.1 直流電機(jī)定義 11 2.2.2 直流無(wú)刷電機(jī)工作原理 12 第3章 直流電機(jī)控制模塊 13 3.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 13 3.1.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D 13 3.2 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速PWM控制 14 3.3 直流電機(jī)閉環(huán)控制 15 3.3.1 PID控制算法 15 第4章 傾角檢測(cè)模塊 17 4.1加速度傳感器 17 4.2測(cè)傾角原理 18 第5章 基于STM32云臺(tái)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 21 5.1 驅(qū)動(dòng)電

3、路的介紹 21 5.2 傾角檢測(cè)電路的介紹 22 第6章 基于STM32云臺(tái)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 23 6.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖如下 23 第7章 總結(jié) 24 7.1 總結(jié) 24 摘要 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于想在高空拍攝地面圖片的要求越來(lái)越高，云臺(tái)技術(shù)得到了迅速發(fā)展并逐步開始應(yīng)用各個(gè)領(lǐng)域。為了能夠擴(kuò)大拍攝視野，便于遠(yuǎn)程操作，常借助于云臺(tái)，即把攝像機(jī)安裝在云臺(tái)上，通過(guò)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)云臺(tái)控制協(xié)議設(shè)置攝像機(jī)鏡頭參數(shù)，云臺(tái)在拍攝系統(tǒng)中起著非常重要的作用。而現(xiàn)在又的云臺(tái)控制系統(tǒng)普遍采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，存在著穩(wěn)定性差、功耗大、計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確等特點(diǎn)，

4、而采用體積小，節(jié)能環(huán)保的直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的云臺(tái)控制系統(tǒng)成為研究的熱點(diǎn)，并且具有廣闊的應(yīng)用前景。 本文提出以低功耗云臺(tái)設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。以現(xiàn)有的單片機(jī)技術(shù)和控制理論為依托，研究如何從硬件和軟件兩方面，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。硬件核心處理器采用的是意法半導(dǎo)體公司的STM32F103芯片，該芯片使用好高性能且低功耗的的ARM Cortex-M3處理器。云臺(tái)驅(qū)動(dòng)源采用低功耗的直流無(wú)刷電機(jī)，在角度計(jì)數(shù)方面采用加速度計(jì)來(lái)檢測(cè)傾角從而實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的精確定位功能。 論文采用模塊化的設(shè)計(jì)概念，以STM32處理器為核心，通過(guò)外圍電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正傳與反轉(zhuǎn)，同時(shí)由直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與

5、其電樞兩端的電壓成正比，根據(jù)這一特性可通過(guò)STM32單片機(jī)PWM外設(shè)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。STM32微處理器根據(jù)為角度編寫的PID算法來(lái)調(diào)節(jié)PWM輸出，保證了云臺(tái)的勻速、穩(wěn)定、精確運(yùn)行。 關(guān)鍵詞：STM32 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) PWM 陀螺儀  Abstract With the development of economy and society, people who want to shoot at high altitude ground pictures have become increasingly demanding, PTZ technology

6、has been developing rapidly and gradually began to apply in various fields. To be able to shoot horizons expand, easy remote operation, often by means of PTZ camera that is mounted on the head, led by head rotation to rotate the camera, while the camera lens control protocol parameters set by the he

7、ad, the head in the shooting system plays a very important role. And now the head stepper motor control system widely used as a driving source, there is a poor stability, power consumption, the count is not accurate, etc., and the use of small, energy-saving DC motor as a driving source tilt control

8、 system become a hot research and has broad application prospects. This paper presents the design of low-power system design PTZ starting point. Existing microcontroller technology and control theory as the basis, to study how the hardware and software aspects of the system low-power design. Hardwa

9、re core processor uses the STMicroelectronics STM32F103 chip that good use of high-performance and low-power ARM Cortex-M3 processor. PTZ driver source using low-power DC motor, using gyroscopes to achieve in terms of the angle of the head count of the precise positioning. Paper uses a modular desi

10、gn concept to STM32 processor as the core, through the peripheral motor drive circuit to drive the brushless DC motor to achieve Story and reverse the motor, while the voltage is proportional to the rotational speed of the DC motor armature ends its according to this feature DC motor speed can be co

11、ntrolled by STM32 microcontroller PWM peripheral. STM32 microprocessor prepared according to the angle of the PID algorithm to adjust the PWM output to ensure that the head of the uniform, stable and accurate operation. 第1章 緒論 1.1 課題研究背景 隨著社會(huì)的快速發(fā)展，視頻監(jiān)控和拍照得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前在國(guó)內(nèi)可知，拍照技術(shù)大部分都是利用手持?jǐn)z像機(jī)來(lái)拍照，這樣

12、拍照有個(gè)缺點(diǎn)就是，攝像機(jī)不能隨著的控制拍照方向和角度。因此，為了，解決這個(gè)問(wèn)題。我們就把攝像機(jī)安裝在云臺(tái)上，利用無(wú)刷電機(jī)來(lái)控制其自由轉(zhuǎn)動(dòng)。由于自身行業(yè)領(lǐng)域中的豐富項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，贏得了更多的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。云臺(tái)控制拍攝應(yīng)用于各種領(lǐng)域，比如應(yīng)用于小區(qū)，學(xué)校，醫(yī)院等樓宇監(jiān)控。用在最大的地方是航模拍攝。 而目前市面上的傳統(tǒng)的云臺(tái)只重視功能的實(shí)現(xiàn)，忽略了云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大多數(shù)采用能耗高，便于實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，對(duì)于太陽(yáng)能和風(fēng)能提供電源的的森林防火系統(tǒng)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是致命的，功耗的大小直接決定著云臺(tái)的運(yùn)行時(shí)間，而云臺(tái)的運(yùn)行時(shí)間是整片安全與否的最直接體現(xiàn)。 由上可知，既有強(qiáng)大的完善的功能，又可實(shí)現(xiàn)低功耗長(zhǎng)時(shí)間可靠

13、的云臺(tái)控制系統(tǒng)才是最受好評(píng)的云臺(tái)控制系統(tǒng)。 為了滿足這種需求，本文硬件以STM32驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)為基礎(chǔ)，配合加速度計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)一種基于STM32低功耗云臺(tái)控制系統(tǒng)。 1.2 國(guó)內(nèi)外云臺(tái)研究發(fā)展現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)，隨著科技進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展越來(lái)越多的云臺(tái)攝像項(xiàng)目在各地域分布廣泛，并且應(yīng)用也非常的廣泛。電動(dòng)云臺(tái)控制器有內(nèi)置解碼器和外置解碼器兩種，外置是指將各種接線引出云臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的外部，通過(guò)控制器給出相應(yīng)的控制信號(hào)。相反，內(nèi)置解碼器就是安裝在云臺(tái)內(nèi)部，這樣看起來(lái)與云臺(tái)是一體的，通過(guò)串行通訊來(lái)控制云臺(tái)。為了滿足攝像系統(tǒng)一體化的要求，漸漸采用了內(nèi)置解碼器的方式。 最初云臺(tái)是固定不能轉(zhuǎn)動(dòng)的，主要是為了支撐

14、和保護(hù)攝像頭。安裝過(guò)程中可以調(diào)節(jié)攝像頭的水平和俯仰角度，達(dá)到合適位置后鎖定調(diào)整結(jié)構(gòu)就可以了。后來(lái)在云臺(tái)內(nèi)部安裝了兩個(gè)執(zhí)行電機(jī)，發(fā)展可以水平、垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)云臺(tái)，可以通過(guò)發(fā)送控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)角度，并且擴(kuò)大了攝像范圍。 由于快速球型一體化設(shè)計(jì)，曾經(jīng)一度領(lǐng)先云臺(tái)的發(fā)展。但是隨著智能云臺(tái)的改進(jìn)、更新，在技術(shù)方面已經(jīng)可以和快速球型攝像機(jī)相媲美。由于云臺(tái)外觀結(jié)構(gòu)的特殊性，使云臺(tái)的性能在其他方面甚至超過(guò)了快速球型攝像機(jī)。 國(guó)內(nèi)的云臺(tái)最初也是從國(guó)外引進(jìn)的，像美國(guó)的派爾高、日本的索尼等公司的云臺(tái)產(chǎn)品。隨著一體化攝像機(jī)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)出了一部分公司開發(fā)云臺(tái)，如艾力克、明景等表現(xiàn)不俗。雖然在知名度上與外國(guó)品

15、牌還有一定的差距，但是中國(guó)還是有了自己的品牌。隨著市場(chǎng)需要的擴(kuò)大，越來(lái)越多的的公司加入到云臺(tái)技術(shù)的研究當(dāng)中去，使得云臺(tái)技術(shù)漸漸成熟，在高、中、低端設(shè)備各個(gè)檔次的都有。 根據(jù)不同的場(chǎng)合，產(chǎn)生了不同的特殊功能的云臺(tái)。如在室外，就要求能適應(yīng)惡劣的室外環(huán)境，防水、防塵，低溫的地域要求在很低的溫度下設(shè)備依然運(yùn)行正常，腐蝕性嚴(yán)重的地方要求能防腐蝕。在不同場(chǎng)合要求結(jié)構(gòu)不同，隨著攝像機(jī)云臺(tái)的集成化、一體化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，智能云臺(tái)也發(fā)展起來(lái)了。不再滿足于最初的僅僅控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向和攝像頭參數(shù)，向著智能化、人性化的方向，與攝像機(jī)取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同發(fā)展。 1.3 本文的主要工作和結(jié)構(gòu)安排 第一章主要首先主要闡述了本

16、文的研究背景和意義，闡述了云臺(tái)攝像機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展歷程，并對(duì)國(guó)內(nèi)外云臺(tái)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r和未來(lái)的發(fā)展作了介紹。 第二章對(duì)系統(tǒng)的硬件組成部分進(jìn)行闡述，首先對(duì)STM32微控制器的高性能、低功耗進(jìn)行了闡述。其次闡明了直流電機(jī)的分類，最后詳細(xì)介紹其工作原理。 第三章主要是直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，首先介紹了一款高電壓、大電流驅(qū)動(dòng)芯片L298N，該芯片可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。其次闡述閉環(huán)控制理論及其PID控制算法。 第四章主要介紹的是如何利用加速度計(jì)進(jìn)行傾角檢測(cè)。其主要原理就是利用重力加速度在各軸上產(chǎn)生的分量，構(gòu)建三角函數(shù)關(guān)系，然后通過(guò)求反三角函數(shù)計(jì)算出傾角。 第五章主要介紹了基于STM32低功耗云臺(tái)控制系統(tǒng)的硬

17、件設(shè)計(jì)電路，并對(duì)STM32最小系統(tǒng)做詳細(xì)的說(shuō)明，其次介紹了針對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 第六章主要針對(duì)基于STM32低功耗云臺(tái)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案，對(duì)于云臺(tái)控制協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)的講解，針對(duì)第三章講解的PID算法控制理論給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的PID算法，最后詳解基于STM32的PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)。  第2章 系統(tǒng)概述 2.1 STM32F103處理器 2.1.1 STM32 F107處理器概述 STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F1

18、01“基本型”系列。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時(shí)鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價(jià)格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個(gè)系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時(shí)鐘頻率72MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5mA/MHz。 圖2-1 STM32F103 它具有如下特點(diǎn)： 1. 哈弗結(jié)構(gòu) 2. Thumb-2指令以16位代碼密度帶來(lái)了32位的性能 3. 單周期乘法指令和硬件觸發(fā)指令 4. 內(nèi)置快速的中斷控制器 5

19、. 與ARM7TDMI相比運(yùn)行速度最多可快35%區(qū)代碼最多可節(jié)省45% 2.1.2 STMF103處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在STM32F103產(chǎn)品中，主要由以下部分構(gòu)成 五個(gè)驅(qū)動(dòng)單元： Cortex-M3內(nèi)核Dcode總線和系統(tǒng)總線 通用DMA1和通用DMA2 以太網(wǎng)DMA 三個(gè)被動(dòng)單元： 內(nèi)部SDAM 內(nèi)部閃存存儲(chǔ)器 AHB到APB的橋，它連接所有的APB設(shè)備 這些都是通過(guò)一個(gè)多級(jí)的ANB總線架

20、構(gòu)相互連接，如圖2-2所示： 圖2-2 STM32總線架構(gòu) ICode總線 該總線負(fù)責(zé)連接Cortex-M3內(nèi)核的指令和閃存指令接口。指令預(yù)取操作在此總線上完成。 Dcode總線 該總線負(fù)責(zé)連接Cortex-M3內(nèi)核總線和閃存存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)接口。 系統(tǒng)總線 此總線負(fù)責(zé)連接Cortex-M3內(nèi)核的系統(tǒng)總線接口和總線矩陣接口，總線矩陣協(xié)調(diào)這內(nèi)核和DMA間的訪問(wèn)。 DMA總線 此總線負(fù)責(zé)連接DMA的AHB主控接口和總線矩陣接口，總線矩陣負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)CPU的Dcode和DMA到SRAM存儲(chǔ)器、閃存存儲(chǔ)器和外設(shè)訪問(wèn)。 總線矩陣 總線矩陣負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)DMA主控總線和內(nèi)核系統(tǒng)總線之間的訪

21、問(wèn)仲裁，仲裁采用輪換算法。在互聯(lián)型產(chǎn)品中，總線矩陣包含5個(gè)驅(qū)動(dòng)部件（CPU的Dcode總線，系統(tǒng)總線，以太網(wǎng)DMA、DMA1總線和DMA1總線）和3個(gè)從動(dòng)部件（主閃存存儲(chǔ)器接口、SRAM和AHB2APB橋）組成。在其他產(chǎn)品中總線矩陣由4個(gè)驅(qū)動(dòng)部件（CPU的Dcode總線，系統(tǒng)總線，以太DMA1總線和DMA1總線）和4個(gè)被動(dòng)驅(qū)動(dòng)（主閃存存儲(chǔ)器接口、FSMC、SRAM和AHB2APB橋）組成。AHB外設(shè)通過(guò)總線矩陣與系統(tǒng)總線相連接，允許DMA訪問(wèn)。 2.1.3 STM32微處理器對(duì)電機(jī)的控制 直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)

22、頻繁的無(wú)極快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。直流電機(jī)的工作狀態(tài)可分為兩種：開環(huán)狀態(tài)和閉環(huán)狀態(tài)。直流電機(jī)工作在開環(huán)狀態(tài)時(shí)，電路相對(duì)簡(jiǎn)單，但其定位性能比較差。直流電機(jī)工作的閉環(huán)狀態(tài)時(shí)，其定位性能精確，但是相對(duì)開環(huán)狀態(tài)又要增加很多檢測(cè)器件，使用的元器件多，電路非常復(fù)雜。 在STM32微控制器內(nèi)，Cortex-M3內(nèi)核與ST優(yōu)化型閃存接口和緊密配合，僅需要增加少量的外部元器件，周邊設(shè)備即可處理外部事件。不用說(shuō)，PWM定時(shí)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器是最重要的元器件，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)元器件的控制可以實(shí)現(xiàn)使直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 2.1.4 STM32F103處理器低功耗 然而高性能并非意

23、味著高耗電，STM32有三種低功耗模式和靈活的時(shí)鐘控制機(jī)制，用戶可以根據(jù)自己應(yīng)用所需的耗電、性能要求進(jìn)行合理的優(yōu)化。當(dāng)代碼從Flash中以72MHz的全速運(yùn)行時(shí)，在外設(shè)時(shí)鐘開啟時(shí)STM32僅消耗27mA電流。在3.3V的供電電壓下，其典型的電流消耗僅為1.4uA。在不同的工作模式下有著不同的功耗。 1、 SLEEP模式：實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，并且可以通過(guò)中斷喚醒，但省電少。節(jié)能：外設(shè)設(shè)備，不需要被用來(lái)關(guān)閉時(shí)鐘的時(shí)鐘，這一次只打開。如USART發(fā)送數(shù)據(jù)之前USART時(shí)鐘使能包傳輸完成后，立即關(guān)閉時(shí)鐘。 2、 STOP模式：需要外部中斷喚醒。RTC報(bào)警醒來(lái)的時(shí)候，更靈活應(yīng)用模型。但是應(yīng)用程序注意：AD

24、C數(shù)據(jù)采樣應(yīng)用中的一個(gè)問(wèn)題。如果您使用STOP模式先， 它假定為200Hz的采樣率，5毫秒的喚醒時(shí)間，啟動(dòng)一個(gè)ADC采樣測(cè)試STOP喚醒周期是不固定的，采樣周期是不固定的，過(guò)濾，如電源頻率陷波的缺點(diǎn)。 2.2 電機(jī)的定義及控制原理 2.2.1 直流電機(jī)定義 直流電機(jī)是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。 2.2.2 直流無(wú)刷電機(jī)工作原理 要使電樞收到一個(gè)方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于：當(dāng)線圈

25、邊在不同極性的磁極下，如何將流過(guò)線圈中的電流方向及時(shí)地加以變換，即進(jìn)行所謂“轉(zhuǎn)向”。為此必須增添一個(gè)叫轉(zhuǎn)換器的裝置，轉(zhuǎn)換器配合電刷可保證每個(gè)極下線圈中的電流始終是一個(gè)方向，就可以使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，這就是直流電機(jī)的工作原理 無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種電氣旋轉(zhuǎn)式機(jī)械。電機(jī)的定子繞組多數(shù)情況做成三組對(duì)稱星形接法，與三相異步電機(jī)結(jié)構(gòu)十分相似。電機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘附有已充磁的永磁體，為了便于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子極性，在電機(jī)內(nèi)裝有傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等組成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，制動(dòng)、停止信號(hào)，以及控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)和停止；接受位置傳感器信號(hào)和電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)

26、調(diào)控逆變橋各功率的導(dǎo)通與截止，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制盒調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。  第3章 直流電機(jī)控制模塊 3.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)的影響，在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。無(wú)刷直流電機(jī)控制器包括電源部分和控制部分，如圖2.1所示。電源部分提供三相電源給電機(jī)，控制部分則按照需求轉(zhuǎn)換電源頻率。電源部分可以直接以直流電輸入或者以交流電輸入，如果是以交流電輸入就需先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流電。不論是直流電輸入或是交流電輸入，送入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由

27、逆變器(inverter)轉(zhuǎn)成三相電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。逆變器一般由六個(gè)功率晶體管，分為上橋臂和下橋臂，連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)?？刂撇糠謩t提供PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)決定功率晶體管開關(guān)頻率及逆變器換相的時(shí)機(jī)。對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，一般希望速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會(huì)有太大的變動(dòng)，所以電機(jī)內(nèi)部裝有霍爾傳感器(hall-sensor)，作為速度的閉回路控制，同時(shí)也作為相序控制的依據(jù)。 3.1.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D 我們的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用的是L293D集成芯片，芯片的引腳圖如下： 2-3 芯片引腳圖 L293D主要是用于電流小于600mA電壓范圍在4.5V到

28、36V的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，它可以驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載，比如繼電器、螺線管、直流和雙相步進(jìn)電動(dòng)機(jī), 以及其它的大電流/高壓負(fù)載等等。它的所有的輸入都與TTL電平兼容。當(dāng)相應(yīng)的是能引腳使能時(shí)，相應(yīng)的輸出引腳和輸入引腳的電平保持一致。在輸出引腳上的鉗位二極管是對(duì)感應(yīng)瞬變的抑制，當(dāng)輸入使能引腳是低電平時(shí)，相應(yīng)的引腳就呈現(xiàn)高阻態(tài)。電源Vcc1和Vcc2分開供電有利于降低器件的損耗。 3.2 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速PWM控制 直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法就是調(diào)節(jié)電樞電壓。改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制PWM技術(shù)，直接將恒定的

29、直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動(dòng)機(jī)的電樞端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。它被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在各種功率的調(diào)速系統(tǒng)中。 本系統(tǒng)利用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖2.3是對(duì)電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制時(shí)的電樞繞組兩端的電壓波形。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0, tz秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。 U1 0 T U0

30、 Us t1 t2 0 圖2.3 輸入輸出電壓波形 電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值。為: 式中占空比a表示在一個(gè)周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值，a變化范圍為0-1之間。所以當(dāng)電源電壓Us不變時(shí)，電樞的端電壓的平均值U。取決于占空比的大小，改變a值就可改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。理想空載轉(zhuǎn)速與占空比a成正比。 3.3 直流電機(jī)閉環(huán)控制 3.3.1 PID控制算法 在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為：

31、 （3-2） 式中，P(t)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào);e(t)調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于測(cè)量值與給定值之差:Kp為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);Tt為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間;TD為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。 由于用單片機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來(lái)計(jì)算控制量。因此，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對(duì)式3-2進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示: (3-3) (3-4) 將式3-3、式3-4代入式3-2，則可得離散的PID表達(dá)式: (3-5)

32、 式中，采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度;E(k)第k次采樣時(shí)的偏差值;E(k-1)第(k-1)次采樣時(shí)的偏差值;k采樣序號(hào)，k=O, 1, 2……；P(k)第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。 根據(jù)遞推原理，可寫出(k-1)次的PID輸出表達(dá)式: (3-6) 用式3-5減去式3-6，可得: (3-7) 式中，為積分系數(shù)； 為微分系數(shù)。 由式3-7可知，要計(jì)算第k次輸出值P(k)，只要知道P(k-1)，E(k)，E(k-1)，E(k-2)即可，比式3-5計(jì)算要簡(jiǎn)單得多。 由式3-5可寫出第k次采樣時(shí)PID的輸出表達(dá)式: (3-8)

33、設(shè)比例項(xiàng)輸出: Pp(k)=KpE(k) 積分項(xiàng)輸出: 微分項(xiàng)輸出: 所以式3-8可改寫為: (3-9)  第4章 傾角檢測(cè)模塊 4.1加速度傳感器 加速度計(jì)，是測(cè)量運(yùn)載體線加速度的儀表。加速度計(jì)由檢測(cè)質(zhì)量（也稱敏感質(zhì)量）、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。檢測(cè)質(zhì)量受支承的約束只能沿一條軸線移動(dòng)，這個(gè)軸常稱為敏感軸。當(dāng)儀表殼體隨著運(yùn)載體沿敏感軸方向作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)牛頓定律，具有一定慣性的檢測(cè)質(zhì)量力圖保持其原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變。它與殼體之間將產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使彈簧變形，于是檢測(cè)質(zhì)量在彈簧力的作用下隨之加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)彈簧力與檢測(cè)

34、質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力相平衡時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量與殼體之間便不再有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)彈簧的變形反映被測(cè)加速度的大小。電位器作為位移傳感元件把加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以供輸出。加速度計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)一自由度的振蕩系統(tǒng)，須采用阻尼器來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的提升，加速度計(jì)不僅僅只作為功能單一的測(cè)量設(shè)備，它與傳感器結(jié)合形成了用途廣泛的加速度傳感器。如今加速度傳感器已應(yīng)用到各行各業(yè)。 一般加速度傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形這個(gè)特性。由于這個(gè)變形會(huì)產(chǎn)生電壓，只要計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。當(dāng)然，還有很多其它

35、方法來(lái)制作加速度傳感器，比如壓阻技術(shù)，電容效應(yīng)，熱氣泡效應(yīng)，光效應(yīng)，但是其最基本的原理都是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過(guò)測(cè)量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。 伴隨著設(shè)備儀器小型化與智能化的浪潮，MEMS技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。MEMS是指微機(jī)電系統(tǒng)。它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，要求在芯片上的集成電路和機(jī)械。這就決定了它具有體積小、重量輕、功耗低、耐用性好、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn) MEMS加速度傳感器也被稱為MEMS加速度計(jì)，是一種線性加速度測(cè)量裝置，按照敏感信號(hào)的類型可分為電容式、壓電式、壓阻式、隧道電流式、電熱式和共振式等幾種類型。電容式MEMS加速度計(jì)是目前普遍使用的MEM

36、S加速度計(jì),一般包含檢測(cè)質(zhì)量塊和懸掛系統(tǒng)兩大部分，其結(jié)構(gòu)原理如圖4-1所示 4-1 加速度計(jì)結(jié)構(gòu)圖 如圖4-1所示，傳感器的敏感單元由檢測(cè)質(zhì)量塊、上下固定極板和上下可動(dòng)極板組成，上可動(dòng)極板與上固定極板組成電容C1，下可動(dòng)極板與下固定極板組成電容C2。當(dāng)沒(méi)有加速度輸入時(shí)，理想情況下檢測(cè)質(zhì)量塊位于上下固定極板的中間，因此電容Cl、C2相等，傳感器輸出值為0；當(dāng)外界有加速度輸入時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量塊在慣性力的作用下帶動(dòng)活動(dòng)極板沿加速度方向產(chǎn)生位移，從而導(dǎo)致質(zhì)量塊偏離上下固定極板的中間位置，電容Cl、C2不相等。電容Cl、C2的電容差值被信號(hào)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，在經(jīng)過(guò)相敏放大后將輸出電壓反饋到電容

37、靜電力矩器上，電容力矩器產(chǎn)生的靜電力矩與慣性力矩平衡，使得傳感器檢測(cè)質(zhì)量塊保持在平衡位置，檢測(cè)電路根據(jù)反饋電壓的大小和正負(fù)即可確定加速度的大小和方向。 4.2測(cè)傾角原理 確定系統(tǒng)傾斜的一種常用方法是對(duì)陀螺儀輸出求積分。盡管這種方法簡(jiǎn)單明了，但隨著積分周期的增加，與零偏穩(wěn)定性相關(guān)的誤差也可能快速增大，即使當(dāng)器件處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)也可能導(dǎo)致明顯的旋轉(zhuǎn)。 利用加速度計(jì)進(jìn)行傾斜檢測(cè)的基本假設(shè)是，加速度只與重力相關(guān)。實(shí)際上，可對(duì)信號(hào)輸出進(jìn)行信號(hào)處理，以消除其中的高頻組分，因而可以接受一定的交流加速度。 傾斜檢測(cè)利用重力矢量及其在軸上的投影來(lái)確定傾斜角。由于重力為直流加速度，因此，任何額外加人的直流加

38、速度都會(huì)破壞輸出信號(hào)并導(dǎo)致錯(cuò)誤計(jì)算。 +X 單軸傾斜計(jì)算： ? +X 1g 1g 根據(jù)基本三角原理，X軸上的重力矢量投影會(huì)產(chǎn)生等于加速度計(jì)X軸與水平線夾角正弦值的輸出加速度。水平線通常為與重力矢量垂直的平面。在重力為理想值1g時(shí)，輸出加速度為： 此時(shí)，通過(guò)反正弦就可以求出傾角的值。 雙軸傾斜計(jì)算： 單軸傾斜檢測(cè)的一種不足在于，隨著傾角增大靈敏度逐漸下降，需要采用高分辨率ADC或數(shù)字輸出，才能獲得大范圍的有效傾斜角。另一種缺陷是，單軸檢測(cè)無(wú)法提供360度測(cè)量，因?yàn)閮A斜角N度下產(chǎn)生的加速度等于傾斜角（180—N）度下產(chǎn)生的加速度。 ? +X +Y

39、 1g 1g +Y +X 在應(yīng)用兩個(gè)軸的重力加速度測(cè)量?jī)A角的情況下： 將測(cè)得加速度轉(zhuǎn)換成傾斜角的一種方法是計(jì)算X軸的反正弦及y軸的反余弦，與單軸解決方案類似。我們采用一種更簡(jiǎn)單、更有效的方法是使用來(lái)自以下等式的兩個(gè)值之比： 其中，傾斜角?單位為弧度。  第5章 基于STM32云臺(tái)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5.1 驅(qū)動(dòng)電路的介紹 由于STM32或8051單片機(jī)的引腳驅(qū)動(dòng)能力比較微弱，通常直接用單片機(jī)的引腳驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)的話是無(wú)法驅(qū)動(dòng)的。對(duì)于直流無(wú)刷電機(jī)我們可以通過(guò)電調(diào)或猶如下面圖所示的放大電路，其他結(jié)構(gòu)的放大電路也可以。 在本次產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中，

40、由于我們的STM32的開發(fā)板比較小，外擴(kuò)的引腳不夠用，所以我們充分利用8051單片機(jī)。下面圖5-1是連接到STM32單片機(jī)，圖5-2是連接到8051單片機(jī)的。 圖5-1 推免放大電路 圖5-2 L293D放大電路連接圖 5.2 傾角檢測(cè)電路的介紹 本設(shè)計(jì)的傾角傳感器使用的是ADXL345集成芯片，其連接原理連接圖如 圖5-3所示 圖5-3  第6章 基于STM32云臺(tái)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 6.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖如下 8051單片機(jī)判斷傾角 云臺(tái)傾斜 上電系統(tǒng)初始化 否 STM32發(fā)出控制指令

41、 左右傾角發(fā)生變化 是 相應(yīng)的無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 是 否 第7章 總結(jié) 7.1 總結(jié) 在本次功能實(shí)踐中，基本完成功能要求，但也有一些不足之處： 問(wèn)題1：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)幅度不夠精確 改進(jìn)：調(diào)整控制信號(hào)PWM使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的更加平滑 問(wèn)題2：整體設(shè)計(jì)實(shí)物連線過(guò)多，容易出現(xiàn)接觸不良等現(xiàn)象 改進(jìn)：整合并壓縮做成集成電路模塊，實(shí)現(xiàn)小型化，便于實(shí)際應(yīng)用 問(wèn)題3：二軸云臺(tái)控制方位與角度有限 改進(jìn)：增加三軸角速度傳感器，實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的三軸控制 通過(guò)這次基于STM32的無(wú)刷云臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建，我們學(xué)到的不僅僅是相關(guān)的專業(yè)知識(shí)、提高了動(dòng)手能力，還有對(duì)于技術(shù)問(wèn)題解決方法的思考與探索，以及對(duì)于問(wèn)題完整性的規(guī)劃與實(shí)施。在不斷的改進(jìn)與調(diào)試的過(guò)程中，基本的實(shí)現(xiàn)了既定的要求平臺(tái)保持穩(wěn)定的功能?？梢哉f(shuō)這次設(shè)計(jì)不僅是在校學(xué)習(xí)階段的一筆豐富的記憶，更是人生專業(yè)生涯值得回味的經(jīng)歷。 最后，感謝指導(dǎo)老師閉金杰的細(xì)心教授與指導(dǎo)還有其他同學(xué)的幫助。 29